WO2018025847A1 - モード間損失差補償器及び光増幅器 - Google Patents

モード間損失差補償器及び光増幅器 Download PDF

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mode
multimode optical
inter
loss
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雅樹 和田
泰志 坂本
崇嘉 森
青笹　真一
山本　貴司
中島　和秀
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日本電信電話株式会社
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    • H04B10/2581—Multimode transmission

Definitions

  • the present disclosure relates to an inter-mode loss difference compensator that compensates for a loss difference between modes in mode multiplex transmission, and an optical amplifier including the same.
  • This application claims priority based on Japanese Patent Application No. 2016-153169 filed in Japan on Aug. 03, 2016 and Japanese Patent Application No. 2016-153996 filed on Aug. 04, 2016 in Japan. The contents of it are incorporated here.
  • Non-Patent Document 1 In order to further increase transmission capacity in the future, a medium that realizes innovative transmission capacity expansion is required. Therefore, mode multiplex transmission using a multimode fiber (MMF) that can be expected to improve the signal-to-noise ratio and space utilization efficiency by using a plurality of propagation modes in an optical fiber as a channel attracts attention. Yes. Up to now, high-order modes propagating in the fiber have been a cause of signal degradation. However, active use is being studied in the development of digital signal processing, multiplexing / demultiplexing technology, and the like (for example, Non-Patent Document 1, 2).
  • MMF multimode fiber
  • Non-Patent Document 3 In order to perform long-distance transmission in mode multiplex transmission, the inter-mode loss difference (DMA) generated in the transmission path and the inter-mode gain difference (Differential) generated in the optical amplifier are used. modalgain (DMG) becomes important. Also in order to realize long-distance transmission, adjustment is performed so that a mode-to-mode loss difference (MDL) including DMA and DMG is 0.2 dB or less in one span. . In Non-Patent Document 3, a spatial filter type inter-mode loss difference compensator is used to contribute to the reduction of MDL by giving the LP01 mode a loss about 3 dB larger than the LP11 mode.
  • MDL mode-to-mode loss difference
  • a spatial filter type inter-mode loss difference compensator is used to contribute to the reduction of MDL by giving the LP01 mode a loss about 3 dB larger than the LP11 mode.
  • Non-Patent Document 3 requires not only a fiber but also a complicated configuration such as a lens and a filter for giving a loss to a specific mode, and crosstalk between propagation modes is necessary. There is a problem that a precise alignment work is also required to prevent the occurrence of the problem.
  • an object of the present invention is to provide an inter-mode loss difference compensator and an optical amplifier that have a simple configuration and do not require a precise alignment operation in order to solve the above-described problems.
  • any loss can be obtained by inserting a metal thin film between the fibers or adding a metal such as cobalt to the core part.
  • a method of generating see, for example, Non-Patent Document 4
  • the method described in Non-Patent Document 4 is intended for a single mode region, and the object of the present invention of giving an arbitrary loss for each mode cannot be achieved.
  • the inter-mode loss difference compensator includes a first multimode optical fiber and a third multimode optical fiber in which a plurality of propagation modes propagate at the wavelength of a propagating optical signal, a core, A second multimode optical fiber having a clad and arranged with a central axis aligned between the first multimode optical fiber and the third multimode optical fiber; Each loss is different between the first multimode optical fiber and the third multimode optical fiber.
  • the refractive index distribution of the first multimode optical fiber and the third multimode optical fiber may be different from the refractive index distribution of the second multimode optical fiber.
  • the inter-mode loss difference compensator can reduce MDL by the following procedure. First, the amount of loss in each mode of the entire optical transmission system that transmits optical signals in multimode is grasped.
  • the refractive index distribution of the second multimode optical fiber is such that the loss amount at the connection point is reduced for the mode with the large loss amount, and the loss amount at the connection point is increased for the mode with the small loss amount. Distribution.
  • the inter-mode loss difference compensator having the second multimode optical fiber having such a refractive index distribution By inserting the inter-mode loss difference compensator having the second multimode optical fiber having such a refractive index distribution into the optical transmission system, the loss amount in each mode is totally equalized and MDL is reduced. Can do. Since the inter-mode loss difference compensator is simply cascaded by aligning the central axes of two types of optical fibers, the configuration is simple and precise alignment work is not required.
  • the present invention can provide an inter-mode loss difference compensator that has a simple configuration and does not require precise alignment work.
  • the number of the plurality of propagation modes propagating through the first multimode optical fiber and the third multimode optical fiber may be 5 or less.
  • the number of propagation modes propagating through the second multimode optical fiber is 5 or more;
  • the refractive index profile of the second multimode optical fiber may be a step type.
  • the second multimode optical fiber of the inter-mode loss difference compensator according to the present invention is characterized in that the number of propagation modes is 5 or more at the wavelength of the propagating optical signal, and the refractive index distribution is a step type.
  • the refractive index distribution of the second multimode optical fiber is stepped, the loss amount in the higher-order mode can be increased compared to the fundamental mode.
  • the number of propagation modes propagating through the second multimode optical fiber may be 5 or more, and the core of the second multimode optical fiber may include a ring-shaped core portion having a ring-shaped refractive index distribution.
  • the refractive index profile of the second multimode optical fiber is in a ring shape, the amount of loss in the higher-order mode can be reduced compared to the fundamental mode.
  • the ratio of the inner ring diameter and the outer ring diameter of the ring-shaped core portion may be 0.1 or more in the second multimode optical fiber.
  • the core of the second multimode optical fiber may have a region to which a transition element is added. Since only the region is adjusted, the configuration is simple and precise alignment work is not required. Therefore, the present invention can provide an optical fiber that has a simple configuration, does not require precise alignment work, and gives an arbitrary loss for each mode.
  • the region may be ring-shaped.
  • the core diameter of the second multimode optical fiber is a5
  • the inner ring diameter of the region is a6
  • the outer ring diameter of the region is a7
  • 2.5 ⁇ 5.0 ⁇ (a7 ⁇ a6) / a5 ⁇ a6 /A5 ⁇ 4.5 ⁇ 3.9 ⁇ (a7 ⁇ a6)/a5 may be satisfied.
  • the optical amplifier according to the present invention can reduce MDL by the following procedure. First, the amount of loss in each mode of the entire optical transmission system that transmits optical signals in multimode is grasped. Then, the region of the optical fiber according to the present invention is set to a region where the loss amount is reduced for a mode with a large loss amount and the loss amount is increased for a mode with a small loss amount. By inserting an optical fiber having such a region into the subsequent stage of the optical amplification unit, the amount of loss in each mode can be equalized and MDL can be reduced. Since the present optical amplifier is simply cascaded by aligning the central axes of the optical fibers whose areas have been adjusted, the configuration is simple and precise alignment work is not required.
  • An optical amplifier includes: an optical amplifying unit that amplifies an optical signal propagating in a plurality of propagation modes; and the inter-mode loss difference compensator according to any one of the above, disposed in a subsequent stage of the optical amplifying unit in the propagation direction of the optical signal And comprising.
  • the inter-mode loss difference compensator is arranged at the subsequent stage of the optical amplifying unit, and it is possible to prevent a decrease in noise figure as well as a reduction in MDL.
  • the present invention can provide an inter-mode loss difference compensator and an optical amplifier that have a simple configuration, do not require precise alignment work, and give an arbitrary loss for each mode.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of an inter-mode loss difference compensator 101 according to this embodiment.
  • the inter-mode loss difference compensator 101 has a core 13 and a clad 14, and a first multimode optical fiber 11A (hereinafter referred to as an optical fiber 11A) and a plurality of propagation modes propagate at the wavelength of a propagating optical signal.
  • 3 multimode optical fiber 11B hereinafter referred to as optical fiber 11B
  • optical fiber 11B 3 multimode optical fiber 11B
  • a core 15 and a clad 16 with a central axis aligned between the first multimode optical fiber 11A and the third multimode optical fiber 11B.
  • a second multimode optical fiber 12 hereinafter referred to as an optical fiber 12).
  • each loss in a plurality of propagation modes differs between the optical fiber 11A and the optical fiber 11B.
  • the loss in the propagation mode propagating through the optical fiber 11A is different from the loss in the propagation mode propagating from the optical fiber 11A through the optical fiber 12 and through the optical fiber 11B.
  • the optical fiber 11A and the optical fiber 11B will be described using an optical fiber having five or less propagation modes, but the present invention is not limited to this.
  • the inter-mode loss difference compensator 101 is configured by cascading two types of multimode fibers, an optical fiber 11A, an optical fiber 12, and an optical fiber 11B in this order.
  • FIG. 2 shows the refractive index profile of the optical fibers 11A and 11B
  • FIG. 3 shows the refractive index profile of the optical fiber 12.
  • the refractive index distributions of the optical fibers 11A and 11B and the optical fiber 12 are different.
  • the optical fiber 11A and the optical fiber 11B are the same type of optical fiber and have the same refractive index distribution.
  • the core radius of the optical fiber 11A and the optical fiber 11B is a1, and the relative refractive index difference ⁇ is ⁇ 1.
  • the core radius of the optical fiber 12 is a2, and the relative refractive index difference is ⁇ 2.
  • an embodiment having a step shape is shown, but the effect can be similarly considered for other refractive index shapes.
  • the inter-mode loss difference compensator 101 realizes MDL reduction by utilizing the fact that the electric field distribution of each propagation mode propagating through the optical fibers 11A and 11B and the optical fiber 12 is different.
  • the number of propagation modes of the optical transmission system is N
  • M ⁇ N the number of propagation modes
  • a part of the propagation modes is cut off and is not transmitted. It is desirable that the number of propagation modes is N or more.
  • the modes to be studied are five modes of LP01, LP11a, LP11b, LP21a, and LP21b.
  • LP11a and LP11b, and LP21a and LP21b represent degenerate modes.
  • the degenerate mode when there is no axis shift at the connection point due to the shape of the electric field distribution, the connection loss takes the same value. Therefore, hereinafter, LP11a and LP11b, and LP21a and LP21b will be collectively referred to as LP11 and LP21 modes.
  • the calculation of MDL of the inter-mode loss difference compensator 101 is examined.
  • the core radii of the optical fibers 11A and 11B are 7 ⁇ m, and the relative refractive index difference ⁇ is 0.7%.
  • the influence of the difference in mode field diameter (MFD) between the LP01 mode of the optical fibers 11A and 11B and the LP01 mode of the optical fiber 12 at this time on the MDL of the LP11 mode and the LP21 mode was calculated.
  • the results are shown in FIG.
  • the optical fiber 12 has a step shape and the relative refractive index difference ⁇ is fixed to 0.45%.
  • the MDL shown in FIG. 4 represents a loss difference between the LP11 mode and the LP21 mode with respect to the LP01 mode.
  • the MDL value can be adjusted by adjusting the MFD difference. Further, it can be seen that in the connection using the two types of step shapes, the mismatch in the electric field distribution in the higher order mode is increased, and therefore the loss in the higher order mode is higher than that in the fundamental mode. Since the LP01 mode MFD can be adjusted by the core radius, FIG. 4 shows that the loss difference between the modes can be arbitrarily set by adjusting the refractive index distribution of the optical fibers 11A and 11B and the optical fiber 12. .
  • FIG. 5 shows the relationship between the MDL and the wavelength of the actually produced inter-mode loss difference compensator.
  • the optical fibers 11A and 11B are step fibers having a core 13 radius of 7 ⁇ m and a relative refractive index difference ⁇ of 0.7%, and the optical fiber 12 has a core 15 radius of 10.5 ⁇ m and a relative refractive index difference.
  • an example using five modes is shown.
  • an inter-mode loss difference compensator that obtains a desired MDL is formed even in an optical fiber propagating in five modes or less. be able to.
  • an optical fiber having a ring-shaped refractive index shape that gives a larger connection loss to the LP01 mode than the higher-order mode is applied to the optical fiber 12 of the inter-mode loss difference compensator 101 of FIG.
  • the optical fiber 12 of the present embodiment has a ring-shaped core having a propagation mode number of 5 or more at the wavelength of a propagating optical signal and having a refractive index distribution in a ring shape.
  • FIG. 6 shows a refractive index profile of the optical fiber 12.
  • the optical fiber 12 has a core 17 and a clad 19.
  • the core 17 includes a ring-shaped core portion 19 having a ring-shaped refractive index distribution.
  • the core 17 has an inner ring portion having the same radius a3 as that of the cladding 18 and an outer ring portion having a relative refractive index difference ⁇ 4 in the region a3 to a4.
  • the optical fibers 11A and 11B of this embodiment are step-type refractive index profiles, the core radius is 7 ⁇ m, and the relative refractive index difference ⁇ 4 is 0.7%.
  • FIG. 7 is a diagram for explaining a relationship between a3 / a4 and MDL in the inter-mode loss difference compensator 101 including the optical fibers 11A and 11B and the optical fiber 12 having the profile of FIG.
  • the inner ring diameter a3 is a variable
  • a4 is fixed to 9 ⁇ m.
  • the LP11 and LP21 modes have larger connection loss with respect to the LP01 mode as a3 / a4 increases. I understand.
  • an example using five modes is shown.
  • an inter-mode loss difference compensator that obtains a desired MDL is formed even in an optical fiber that propagates five modes or less. can do.
  • MDL corresponding to the mismatch of the electric field distribution between the fibers is generated by optimally designing the refractive index profiles of the optical fibers 11A and 11B and the optical fiber 12.
  • the inter-mode loss difference compensator 101 By disposing the inter-mode loss difference compensator 101 in the optical transmission system, the total MDL can be reduced.
  • FIG. 8 is a configuration diagram illustrating the optical amplifier 301 of the present embodiment.
  • the optical amplifier 301 includes an optical amplifying unit 102 that amplifies an optical signal that propagates in a plurality of propagation modes, and an inter-mode loss difference compensator 101 that is arranged at the subsequent stage of the optical amplifying unit 102 in the propagation direction of the optical signal. Prepare.
  • the inter-mode loss difference compensator 101 described in the first embodiment and the second embodiment is used together with an optical amplifying unit 102 that is capable of N-mode propagation and has a gain difference for each mode.
  • the optical amplification unit 102 includes an amplification fiber 21, an excitation light source 22, and a signal light excitation light multiplexer 23.
  • the inter-mode loss difference compensator 101 is installed at the front stage of the optical amplifying unit 102, the noise figure is lowered. Therefore, it is preferable to install the inter-mode loss difference compensator 101 after the optical amplifying unit 102 or between the plurality of optical amplifying units 102.
  • the difference in gain between the modes of the optical amplifier 301 can be reduced by designing the refractive index profile of the optical fiber 12 so as to give a large loss to the mode giving a large gain in the optical amplifier 102.
  • the second multimode optical fiber different from the optical fiber includes a second multimode optical fiber, and the loss amount in each propagation mode in the inter-mode loss difference compensator is inversely proportional to the loss amount in each propagation mode measured in the measurement procedure.
  • the inter-mode loss difference compensator including the second multimode optical fiber having the refractive index distribution determined by the structure determination procedure is disposed at a stage subsequent to the optical amplification unit of the optical transmission system in the propagation direction of the optical signal. Installation procedure;
  • a method of compensating for a loss difference between modes characterized in that:
  • the second multimode optical fiber of the inter-mode loss difference compensator has a propagation mode number of 5 or more at the wavelength of the propagating optical signal, and the structure determination procedure refracts the second multimode optical fiber.
  • the number of propagation modes is set to 5 or more at the wavelength of the propagating optical signal, and the refraction of the second multimode optical fiber is performed in the structure determination procedure.
  • FIG. 9 is a schematic diagram of the inter-mode loss difference compensator 200 of the present embodiment.
  • the inter-mode loss difference compensator 200 includes an optical fiber (second multimode optical fiber) with the central axis aligned between the optical fiber (first multimode optical fiber) 55A and the optical fiber (third multimode optical fiber) 55B. ) 50 is inserted.
  • FIG. 10 is a diagram for explaining the transition element profile of the optical fiber 50 of the present embodiment.
  • the optical fiber 50 is an optical fiber that includes a clad 51 and a core 52, and has a plurality of propagation modes at the wavelength of propagating light.
  • the core region (core) 52 has a region 53 to which a transition element is added in part, and can generate an arbitrary loss in each propagation mode.
  • the region 53 has a ring shape.
  • FIG. 10 illustrates a region 53 in which a transition element is added to a part of the core region 52.
  • the region 53 has a radius a6 to a7 (0 ⁇ a6 ⁇ a7 ⁇ a5) in the core region 52.
  • the transition element added to the region 53 is a metal element such as cobalt, iron, nickel, or lead. By changing the addition concentration of the transition element as necessary, the propagation loss per unit length of the propagation mode propagating through the optical fiber 50 can be adjusted.
  • propagation loss can be generated in a specific mode propagating through an optical fiber by adding a metal only to a part of the core region 52 in this way.
  • a beam propagation method (BPM) is used to calculate the propagation loss, and an absorption coefficient ⁇ is set in the region 53 so as to be absorbed and attenuated during propagation.
  • propagation modes are LP01, LP11, LP21, and LP02 modes. The same calculation can be performed for an optical fiber in which more modes propagate.
  • the value of loss generated by the optical fiber 50 is different for each mode depending on the value of a6 / a5.
  • (a7-a6) / a5 is 0.5 / 9.0
  • in the region where a6 / a5 is about 0.38 to 0.48 it is possible to design to give a small loss as the mode order increases from the fundamental mode. .
  • the fundamental mode is more confined than the higher order mode, and the propagation loss including bending loss tends to be small. Therefore, in order to reduce MDL in a mode-multiplexed optical transmission system, it is preferable that the optical fiber 50 gives a larger excess loss than the higher-order mode to the fundamental mode.
  • the range of the region 53 of the optical fiber 50 is confirmed from the results of FIGS.
  • FIG. 15 is a result of plotting (a7 ⁇ a6) / a5 on the horizontal axis and a6 / a5 on the vertical axis for a region where the loss in the LP01 mode is larger than in the LP11, LP21, and LP02 modes. It can be confirmed that the range of a6 / a5 in which the loss in the fundamental mode is larger than the loss in the higher-order mode is determined by the value of the ring width (a7-a6) / a5.
  • FIG. 16 is a diagram illustrating the optical amplifier 301 of the present embodiment.
  • the optical amplifier 301 includes an optical amplifying unit 102 that amplifies an optical signal that propagates in a plurality of propagation modes, and an optical fiber 50 that is disposed downstream of the optical amplifying unit 102 in the propagation direction of the optical signal.
  • the optical fiber 50 described in the fourth embodiment is used together with the optical amplifying unit 102 capable of N-mode propagation and having a gain difference for each mode.
  • the optical amplification unit 102 includes an amplification fiber 21, an excitation light source 22, and a signal light excitation light multiplexer 23.
  • the noise figure is lowered. Therefore, it is preferable to install the optical fiber 50 after the optical amplifying unit 102 or between the plurality of optical amplifying units 102.
  • the mode difference of the optical amplifier 301 can be reduced by designing the region 53 of the optical fiber 50 so as to give a large loss to the mode giving a large gain in the optical amplifier 102.
  • the amplification fiber 21 is an erbium-doped fiber (EDF) doped with erbium.
  • EDF erbium-doped fiber
  • the refractive index distribution of the EDF is a step type having a core radius of 7 ⁇ m and a relative refractive index difference of 0.7%.
  • the amount of erbium added is uniformly 300 ppm and the length of the strip is 10 m.
  • the gain of each propagation mode is 20.0 dB for LP01, 20.0 dB for LP11, and 16 for LP21. .9 dB, LP02 becomes 10.6 dB.
  • the gain of the optical amplifier 301 can be obtained from the a6 / a5 dependency of the gain generated in the optical amplifier 102 and the loss generated in the optical fiber 50.
  • FIG. 17 is a diagram for explaining the relationship between the gain of the optical amplifier 301 and a6 / a5 of the optical fiber 50.
  • the absolute value of the gain of each propagation mode of the entire optical amplifier 301 can be set to a desired value by adjusting the excitation intensity and the EDF strip length. From FIG. 17, it can be confirmed that DMG becomes the smallest when a6 / a5 is about 0.44.
  • FIG. 18 is a diagram for explaining a design method of the optical fiber 50 applied to the optical amplifier 301.
  • the design method of FIG. 18 is a method of reducing the inter-mode loss difference with the optical amplifier 301 having a plurality of propagation modes of the optical signal, and a measurement procedure for measuring the gain of each propagation mode generated in the optical amplifier 102.
  • the same design can be performed.
  • the present invention can provide an inter-mode loss difference compensator and an optical amplifier that have a simple configuration, do not require precise alignment work, and give an arbitrary loss for each mode.
  • a5 Core diameter a6: Inner ring diameter a7: Outer ring diameter 11A, 55A: Optical fiber (first multimode optical fiber) 11B, 55B: Optical fiber (third multimode optical fiber) 12, 50: Optical fiber (second multimode optical fiber) 21: amplification fiber 22: pumping light source 23: signal light pumping light multiplexer 101, 200: inter-mode loss difference compensator 102: optical amplifier 301: optical amplifier

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Abstract

モード間損失差補償器は、伝搬する光信号の波長において複数の伝搬モードが伝搬する第１のマルチモード光ファイバ及び第３のマルチモード光ファイバと、コア及びクラッドを有し、前記第１のマルチモード光ファイバと前記第３のマルチモード光ファイバとの間に中心軸を揃えて配置された第２マルチモード光ファイバとを備え、前記複数の伝搬モードにおける各損失が、前記第１のマルチモード光ファイバと前記第３のマルチモード光ファイバとの間で互いに異なる。

Description

モード間損失差補償器及び光増幅器
　本開示は、モード多重伝送におけるモード間の損失差を補償するモード間損失差補償器及びこれを搭載する光増幅器に関する。
　本願は、２０１６年０８月０３日に、日本に出願された特願２０１６－１５３１６９号及び２０１６年０８月０４日に、日本に出願された特願２０１６－１５３９９６号及びに基づき優先権を主張し、それの内容をここに援用する。
　近年、サービスの多様化によりインターネットトラヒックは未だ増加し続けており、伝送速度の高速化や波長分割多重（Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ：ＷＤＭ）技術による波長多重数の増加により飛躍的に伝送容量を伸ばしてきた。また近年、検討が盛んに行われているデジタルコヒーレント技術によって更なる伝送容量の拡大が予想されている。デジタルコヒーレント伝送システムでは多値位相変調信号を用いることにより周波数利用効率を向上させてきたが、より高い信号雑音比が必要となってくる。しかし従来のシングルモードファイバ（Ｓｉｎｇｌｅ ｍｏｄｅ ｆｉｂｅｒ：ＳＭＦ）を用いた伝送システムでは、理論的な限界に加え非線形効果に起因する入力パワー制限のため伝送容量は１００Ｔｂｉｔ／ｓｅｃを境に飽和することが予想されており、更なる大容量化は困難となってきている。
　今後さらに伝送容量を増やしていくためには革新的な伝送容量拡大を実現する媒体が必要とされている。そこで、光ファイバ中の複数の伝搬モードをチャネルとして用いることで信号雑音比と空間利用効率の向上が期待できるマルチモードファイバ（Ｍｕｌｔｉ ｍ ｏｄｅ ｆｉｂｅｒ：ＭＭＦ）を用いたモード多重伝送が注目を集めている。これまでファイバ中を伝搬する高次のモードは信号劣化の要因であったが、デジタル信号処理や合分波技術などの発展で積極的な利用が検討されている（例えば、非特許文献１、２を参照。）。
　また、伝送容量の拡大に加えモード多重伝送の長距離化に向けた検討も行われており、３モード伝搬可能な非結合型の１２コアファイバを用いた５２７ｋｍ伝送の報告がなされている（例えば、非特許文献３を参照。）。
　モード多重伝送の長距離化を行う上で、長距離伝送を行うためには伝送路にて発生するモード間損失差（Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ ｍｏｄａｌ ａｔｔｅｎｕａｔｉｏｎ：ＤＭＡ）や光増幅器にて発生するモード間利得差（Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ ｍｏｄａｌｇａｉｎ：ＤＭＧ）が重要となってくる。非特許文献３においても長距離伝送を実現するためにＤＭＡ及びＤＭＧを含めたモード間損失差（Ｍｏｄｅ ｄｅｐｅｎｄｅｎｔ ｌｏｓｓ：ＭＤＬ）を１スパンの中で０．２ｄＢ以下になるように調整を行っている。非特許文献３においては空間フィルタ型のモード間損失差補償器を用いてＬＰ０１モードにＬＰ１１モードに比べ３ｄＢ程度大きい損失を与えることでＭＤＬの低減に寄与している。
Ｎ．Ｈａｎｚａｗａ ｅｔ ａｌ．， "Ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｉｏ ｎ ｏｆ Ｍｏｄｅ－Ｄｉｖｉｓｉｏｎ ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ Ｔｒａｎｓｍｉ ｓｓｉｏｎ Ｏｖｅｒ １０ ｋｍ Ｔｗｏ－ｍｏｄｅ Ｆｉｂｅｒ ｗｉｔｈ Ｍ ｏｄｅ Ｃｏｕｐｌｅｒ" ＯＦＣ２０１１， ｐａｐｅｒ ＯＷＡ４ Ｔ．Ｓａｋａｍｏｔｏ ｅｔ ａｌ．， "Ｍｏｄａｌ Ｄｉｓｐｅｒ ｓｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｆｏｒ Ｌｏｎｇ－ｈａｕｌ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏ ｎ ｏｖｅｒ Ｆｅｗ－ｍｏｄｅ Ｆｉｂｅｒ ｗｉｔｈ ＳＩＭＯ Ｃｏｎｆｉｇｕｒａ ｔｉｏｎ" ＥＣＯＣ２０１１， Ｗｅ．１０．Ｐ１．８２ Ｋ． Ｓｈｉｂａｈａｒａ ｅｔ ａｌ． "Ｄｅｎｓｅ ＳＤＭ（１２－Ｃｏｒｅ × ３－Ｍｏｄｅ） Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｏｖｅｒ ５２７ ｋｍ Ｗｉｔｈ ３３．２－ｎｓ Ｍｏｄｅ－Ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ Ｅｍ ｐｌｏｙｉｎｇ Ｌｏｗ－Ｃｏｍｐｌｅｘｉｔｙ Ｐａｒａｌｌｅｌ ＭＩＭＯ Ｆ ｒｅｑｕｅｎｃｙ－Ｄｏｍａｉｎ Ｅｑｕａｌｉｚａｔｉｏｎ"， Ｊ． Ｌｉｇｈ ｔｗ． Ｔｅｃｈｎｏｌ．， ｖｏｌ．３４， ｎｏ．１ （２０１６）． 長瀬他、"ＳＣ形光固定減衰器の諸特性"、信学会総合大会Ｃ－５ ９９，１９８９．
　しかし、非特許文献３の空間型の利得等化器は、ファイバだけでなく、レンズや、特定のモードに損失を与えるためのフィルタ等の複雑な構成が必要であり、伝搬モード間でクロストークを発生させないための精密なアライメント作業も必要という課題がある。
そこで、本発明は、上記課題を解決すべく、構成が簡易であり、精密なアライメント作業が不要であるモード間損失差補償器及び光増幅器を提供することを目的とする。
　なお、１．３μｍもしくは１．５μｍ帯にて用いられる、簡易な構造を用いた減衰器として、ファイバ間に金属薄膜を挟むことやコア部分にコバルト等の金属を添加することで任意の損失を発生させる手法が提案されている（例えば、非特許文献４を参照。）。しかしながら、非特許文献４に記載の手法はシングルモード領域を対象としており、モード毎に任意の損失を与えるという本発明の目的は達成できていない。
　具体的には、本発明に係るモード間損失差補償器は、伝搬する光信号の波長において複数の伝搬モードが伝搬する第１のマルチモード光ファイバ及び第３のマルチモード光ファイバと、コア及びクラッドを有し、前記第１のマルチモード光ファイバと前記第３のマルチモード光ファイバとの間に中心軸を揃えて配置された第２マルチモード光ファイバとを備え、前記複数の伝搬モードにおける各損失が、前記第１のマルチモード光ファイバと前記第３のマルチモード光ファイバとの間で互いに異なる。
　第１マルチモード光ファイバ及び第３のマルチモード光ファイバの屈折率分布と第２マルチモード光ファイバの屈折率分布とが異なっていてもよい。
　屈折率分布が異なる光ファイバを縦続した場合、一方の光ファイバの屈折率分布の状態を変化させるとその接続点での損失量がモード毎に変化する。このため、本モード間損失差補償器は次のような手順でＭＤＬを低減することができる。
　まず、光信号をマルチモード伝送する光伝送システム全体の各モードにおける損失量を把握する。そして、第２マルチモード光ファイバの屈折率分布を、当該損失量が大きいモードについては接続点での損失量を小さくし、当該損失量が小さいモードについては接続点での損失量を大きくするような分布とする。このような屈折率分布を持つ第２マルチモード光ファイバを有するモード間損失差補償器を前記光伝送システムに挿入することで、トータル的に各モードにおける損失量が均等化し、ＭＤＬを低減することができる。
　本モード間損失差補償器は、２種類の光ファイバの中心軸を合わせて縦続させるだけなので、構成が簡易であり、精密なアライメント作業も不要である。
　従って、本発明は、構成が簡易であり、精密なアライメント作業が不要であるモード間損失差補償器を提供することができる。
　第１のマルチモード光ファイバ及び第３のマルチモード光ファイバを伝搬する複数の伝搬モードの数が５以下であってもよい。
　第２のマルチモード光ファイバを伝搬する伝搬モード数が５以上であり、
　第２のマルチモード光ファイバの屈折率分布がステップ型であってもよい。
　本発明に係るモード間損失差補償器の前記第２マルチモード光ファイバは、伝搬する光信号の波長において伝搬モード数が５以上であり、屈折率分布がステップ型であることを特徴とする。第２マルチモード光ファイバの屈折率分布をステップ状にすると基本モードに比べ高次モードにおける損失量を大きくすることができる。
　第２のマルチモード光ファイバを伝搬する伝搬モード数が５以上であり、第２のマルチモード光ファイバのコアは、リング状の屈折率分布を有するリング状コア部を備えていてもよい。
　第２マルチモード光ファイバの屈折率分布をリング状にすると基本モードに比べ高次モードにおける損失量を小さくすることができる。
　第２のマルチモード光ファイバは、リング状コア部の内環径と外環径の比が０．１以上であってもよい。
　第２のマルチモード光ファイバのコアは、遷移元素が添加された領域を有していてもよい。
　前記領域を調整するだけなので、構成が簡易であり、精密なアライメント作業も不要である。従って、本発明は、構成が簡易であり、精密なアライメント作業が不要で、モード毎に任意の損失を与える光ファイバを提供することができる。
　前記領域がリング状であってもよい。
　第２のマルチモード光ファイバのコアの径をａ５、領域の内環径をａ６、領域の外環径をａ７としたとき、２．５－５．０×（ａ７－ａ６）／ａ５≦ａ６／ａ５≦４．５－３．９×（ａ７－ａ６）／ａ５を満たしていてもよい。
　前記領域を調整することで光における損失量がモード毎に変化する。このため、本発明に係る光増幅器は次のような手順でＭＤＬを低減することができる。
　まず、光信号をマルチモード伝送する光伝送システム全体の各モードにおける損失量を把握する。そして、本発明に係る光ファイバの前記領域を、当該損失量が大きいモードについては損失量を小さくし、当該損失量が小さいモードについては損失量を大きくするような領域に設定する。このような領域を持つ光ファイバを光増幅部の後段に挿入することで、トータル的に各モードにおける損失量が均等化し、ＭＤＬを低減することができる。
　本光増幅器は、前記領域を調整した光ファイバの中心軸を合わせて縦続させるだけなので、構成が簡易であり、精密なアライメント作業も不要である。
　光増幅器は、複数の伝搬モードで伝搬する光信号を増幅する光増幅部と、前記光信号の伝搬方向において前記光増幅部の後段に配置された上記いずれかに記載のモード間損失差補償器と、を備える。
　本光増幅器は、光増幅部の後段に前記モード間損失差補償器を配置しており、ＭＤＬの低減とともに雑音指数低下の防止をすることができる。
　本発明は、構成が簡易であり、精密なアライメント作業が不要で、モード毎に任意の損失を与えるモード間損失差補償器及び光増幅器を提供することができる。
本発明に係るモード間損失差補償器を説明する概略図である。 本発明に係るモード間損失差補償器の第１，第３マルチモード光ファイバの屈折率プロファイルを説明する図である。 本発明に係るモード間損失差補償器の第２マルチモード光ファイバの屈折率プロファイルを説明する図である。 第１マルチモード光ファイバと第２マルチモード光ファイバのＭＦＤ差（ＬＰ０１モード）とＭＤＬとの関係を説明する図である。 本発明に係るモード間損失差補償器のＭＤＬと波長の関係を説明する図である。 本発明に係るモード間損失差補償器の第２マルチモード光ファイバの屈折率プロファイルを説明する図である。 第２マルチモード光ファイバの外環径ａ４に対する内環径ａ３の比とＭＤＬの関係を説明する図である。 本発明に係る光増幅器を説明する構成図である。 本発明に係る光ファイバを伝送路中に配置する例を説明する図である。 本発明に係る光ファイバの構造を説明する図である。 本発明に係る光ファイバにおいて（ａ７－ａ６）／ａ５＝０．５／９．０での各伝搬モードにおける損失とａ６／ａ５の関係を説明する図である。 本発明に係る光ファイバにおいて（ａ７－ａ６）／ａ５＝１．０／９．０での各伝搬モードにおける損失とａ６／ａ５の関係を説明する図である。 本発明に係る光ファイバにおいて（ａ７－ａ６）／ａ５＝２．０／９．０での各伝搬モードにおける損失とａ６／ａ５の関係を説明する図である。 本発明に係る光ファイバにおいて（ａ７－ａ６）／ａ５＝３．０／９．０での各伝搬モードにおける損失とａ６／ａ５の関係を説明する図である。 本発明に係る光ファイバにおいて基本モードにおける損失が高次モードにおける損失より大きくなる領域を説明する図である。 本発明に係る光増幅器を説明する図である。 本発明に係る光増幅器のＤＭＧを説明する図である。 本発明に係る光ファイバを設計する手順を説明する図である。
　添付の図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下に説明する実施形態は本発明の実施例であり、本発明は、以下の実施形態に制限されるものではない。なお、本明細書及び図面において符号が同じ構成要素は、相互に同一の構成要素を示すものとする。
（第１実施形態）
　図１は、本実施形態のモード間損失差補償器１０１の概略図である。モード間損失差補償器１０１は、コア１３及びクラッド１４を有し、伝搬する光信号の波長において複数の伝搬モードが伝搬する第１マルチモード光ファイバ１１Ａ（以下、光ファイバ１１Ａと称す）及び第３マルチモード光ファイバ１１Ｂ（以下、光ファイバ１１Ｂと称す）と、コア１５及びクラッド１６を有し、第１マルチモード光ファイバ１１Ａと第３マルチモード光ファイバ１１Ｂとの間に中心軸を揃えて配置された第２マルチモード光ファイバ１２（以下、光ファイバ１２と称す）と、を備えている。
　また、複数の伝搬モードにおける各損失が、光ファイバ１１Ａと、光ファイバ１１Ｂとの間で互いに異なる。言い換えると、光ファイバ１１Ａを伝搬する伝搬モードにおける損失と、光ファイバ１１Ａから光ファイバ１２を通過し光ファイバ１１Ｂを伝搬する伝搬モードにおける損失とが異なる。
　なお、本実施形態では、光ファイバ１１Ａ及び光ファイバ１１Ｂの伝搬モード数が５以下である光ファイバを用いて説明するがこれに限らない。
　モード間損失差補償器１０１は、２種類のマルチモードファイバ、光ファイバ１１Ａと光ファイバ１２と光ファイバ１１Ｂとがこの順に縦続されることで構成されている。図２に光ファイバ１１Ａ，１１Ｂの屈折率プロファイルを示し、図３に光ファイバ１２の屈折率プロファイルを示す。図２及び図３に示すように、光ファイバ１１Ａ，１１Ｂと光ファイバ１２との屈折率分布は異なっている。光ファイバ１１Ａ及び光ファイバ１１Ｂは同種の光ファイバであり、同じ屈折率分布を有している。光ファイバ１１Ａ及び光ファイバ１１Ｂのコア半径はａ１であり、比屈折率差ΔはΔ１である。光ファイバ１２のコア半径はａ２であり、比屈折率差はΔ２である。
　ここではステップ形状とした実施形態を示すが、効果については他の屈折率形状についても同様に考えることができる。
　モード間損失差補償器１０１は、光ファイバ１１Ａ，１１Ｂ及び光ファイバ１２を伝搬する各伝搬モードの電界分布が異なることを利用してＭＤＬ低減を実現する。ここで用いる光ファイバ１２は、光伝送システムの伝搬モード数がＮである場合、伝搬モード数をＭ以下（Ｍ＜Ｎ）としてしまうと伝搬モードの一部がカットオフされて伝送されなくなるため、伝搬モード数がＮ以上であることが望ましい。
　また、２種の異なる光ファイバを縦続する手法では伝搬モード間のクロストークが懸念される。ＬＰｌｍモード（ｌは周方向、ｍは径方向のモードを規定する）を考えると、周方向モード次数が同じで径方向モード次数が同じモードについては接続点にて軸ずれが無い場合においても理論的にモード間クロストークが存在し得る。
　ここではモード間クロストークの影響を避けるため、検討するモードはＬＰ０１、ＬＰ１１ａ、ＬＰ１１ｂ、ＬＰ２１ａ，ＬＰ２１ｂモードの５モードとする。ＬＰ１１ａとＬＰ１１ｂ、およびＬＰ２１ａとＬＰ２１ｂは縮退モードを表している。縮退モードは電界分布の形状から接続点において軸ずれが無い場合、接続損失は同様の値をとる。そこで、以下では、ＬＰ１１ａとＬＰ１１ｂ、およびＬＰ２１ａとＬＰ２１ｂについてまとめてＬＰ１１およびＬＰ２１モードと記載する。
　モード間損失差補償器１０１のＭＤＬの計算検討を行う。ここでは、光ファイバ１１Ａ，１１Ｂのコア半径は７μｍであり、比屈折率差Δは０．７％である。このときの光ファイバ１１Ａ，１１ＢのＬＰ０１モードと光ファイバ１２のＬＰ０１モードのモードフィールド径（ＭＦＤ）の差が、ＬＰ１１モードとＬＰ２１モードのＭＤＬに与える影響について計算を行った。結果を図４に示す。ここでは光ファイバ１２はステップ形状とし比屈折率差Δを０．４５％に固定した際の例である。図４に示すＭＤＬは、ＬＰ０１モードに対するＬＰ１１、ＬＰ２１モードにおける損失差を表している。
　図４の通り、ＭＦＤ差を調整することによりＭＤＬの値を調整できることが確認できる。また、このように２種のステップ形状を用いた接続では高次モードの電界分布の不整合が大きくなるため、基本モードに比べ高次モードにおける損失が高くなることがわかる。ＬＰ０１モードのＭＦＤはコア半径で調整することができるから、図４は光ファイバ１１Ａ，１１Ｂと光ファイバ１２の屈折率分布を調整することでモード間における損失差を任意に設定できることを示している。
　次に実際に作製したモード間損失差補償器のＭＤＬと波長の関係を図５に示す。光ファイバ１１Ａ，１１Ｂのコア１３の半径が７μｍであり、比屈折率差Δが０．７％のステップファイバであり、光ファイバ１２のコア１５の半径は１０．５μｍであり、比屈折率差Δが０．４５％のステップファイバである。図５よりＬＰ２１モードに２ｄＢ、ＬＰ１１モードに対し１ｄＢ程度のＭＤＬが発生している。また電界分布の変化は波長依存性が小さいため、ＭＤＬの波長依存性も小さくなっていることが確認できる。
　本実施形態では、５モードによる例を示したが、同様にＭＦＤ差とＭＤＬの関係を見積もることによって５モード以下を伝搬する光ファイバにおいても所望のＭＤＬを得るモード間損失差補償器を形成することができる。
（第２実施形態）
　本実施形態では、高次のモード（ＬＰ１１、ＬＰ２１モード）に比べ基本モード（ＬＰ０１モード）に大きな損失を与える手法について示す。本実施形態では図１のモード間損失差補償器１０１の光ファイバ１２に、高次モードに比べＬＰ０１モードに大きな接続損失を与えるリング形状の屈折率形状を有する光ファイバを適用する。本実施形態の光ファイバ１２は、伝搬する光信号の波長において伝搬モード数が５以上であり、屈折率分布をリング状としたリング状コアを有する。
　図６に、光ファイバ１２の屈折率プロファイルを示す。図６に示すように、光ファイバ１２は、コア１７及びクラッド１９を有している。コア１７は、リング状の屈折率分布を有するリング状コア部１９を備えている。コア１７は、屈折率がクラッド１８と同じ半径ａ３の内環部と、ａ３～ａ４の領域において比屈折率差Δ４である外環部とを有している。なお、本実施形態の光ファイバ１１Ａ，１１Ｂは、ステップ型の屈折率プロファイルであり、コア半径が７μｍであり、比屈折率差Δ４は０．７％である。
　図７は、光ファイバ１１Ａ、１１Ｂと図６のプロファイルを有する光ファイバ１２を備えるモード間損失差補償器１０１において、ａ３／ａ４とＭＤＬとの関係を説明する図である。ここで内環径ａ３を変数にしており、ａ４は９μｍに固定としている。第１実施形態の光ファイバ１２を備える場合とは異なり、ａ３／ａ４≧０．１の領域において、ａ３／ａ４が大きくなるにつれて、ＬＰ１１およびＬＰ２１モードがＬＰ０１モードに対する接続損失が大きくなっていることが分かる。
　本実施形態では、５モードによる例を示したが、同様にａ３／ａ４とＭＤＬの関係を見積もることによって５モード以下を伝搬する光ファイバにおいても所望のＭＤＬを得るモード間損失差補償器を形成することができる。
　第１実施形態及び第２実施形態で説明したように光ファイバ１１Ａ，１１Ｂと光ファイバ１２の屈折率プロファイルを最適に設計することでファイバ間の電界分布の不整合に応じたＭＤＬを発生させることができ、モード間損失差補償器１０１を光伝送システムに配置することでトータルのＭＤＬを低減することができる。
（第３実施形態）
　図８は、本実施形態の光増幅器３０１を説明する構成図である。光増幅器３０１は、複数の伝搬モードで伝搬する光信号を増幅する光増幅部１０２と、前記光信号の伝搬方向において光増幅部１０２の後段に配置されたモード間損失差補償器１０１と、を備える。
　本実施形態では、第１実施形態及び第２実施形態で説明したモード間損失差補償器１０１を、Ｎモード伝搬可能であり、モード毎に利得差を有している光増幅部１０２とともに使用する。光増幅部１０２は、増幅用ファイバ２１、励起用光源２２、及び信号光励起光合波器２３を有する。一般的に光増幅部１０２の前段にモード間損失差補償器１０１を設置すると雑音指数が低下するので、光増幅部１０２の後段又は複数の光増幅部１０２間に設置することが好ましい。
　光増幅部１０２において大きな利得を与えているモードに大きな損失を与えるように光ファイバ１２の屈折率プロファイルを設計することで光増幅器３０１のモード間利得差を低減することができる。
（効果）
　本発明によれば、空間光学素子を用いないため、構成の簡易化が期待でき、また接続は従来の融着接続もしくは突合せ接続でよいため簡易にモード間損失差を補償することが可能になる。このようにモード多重伝送においてモード間損失差の低減を実現することで伝送距離の長延化に寄与する。
［付記］
　以下は、モード多重伝送を行う光伝送システムにおいてＭＤＬを低減する方法である。
（１）：光信号の伝搬モード数が２以上且つ５以下である光伝送システムでモード間損失差を低減するモード間損失差補償方法であって、
各伝搬モードにおける損失量を測定する測定手順と、
　伝搬する光信号の波長において伝搬モード数が５以下である第１マルチモード光ファイバと、前記第１マルチモード光ファイバ間に中心軸を揃えて挿入された、屈折率分布が前記第１マルチモード光ファイバと異なる第２マルチモード光ファイバと、を備えるモード間損失差補償器での各伝搬モードにおける損失量が、前記測定手順で測定した各伝搬モードにおける損失量に反比例するように前記第２マルチモード光ファイバの屈折率分布を決定する構造決定手順と、
　前記構造決定手順で決定した屈折率分布を持つ前記第２マルチモード光ファイバを備える前記モード間損失差補償器を、前記光信号の伝搬方向において前記光伝送システムの光増幅部の後段に配置する設置手順と、
を行うことを特徴とするモード間損失差補償方法。
（２）：前記モード間損失差補償器の前記第２マルチモード光ファイバについて、伝搬する光信号の波長において伝搬モード数が５以上とし、前記構造決定手順で前記第２マルチモード光ファイバの屈折率分布をステップ型とすることを特徴とする上記（１）に記載のモード間損失差補償方法。
（３）：前記モード間損失差補償器の前記第２マルチモード光ファイバについて、伝搬する光信号の波長において伝搬モード数が５以上とし、前記構造決定手順で前記第２マルチモード光ファイバの屈折率分布をリング状としてリング状コアとすることを特徴とする上記（１）に記載のモード間損失差補償方法。
（４）：前記第２マルチモード光ファイバの前記リング状コアの内環径と外環径の比が０．１以上であることを特徴とする上記（３）記載のモード間損失差補償方法。
　添付の図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下に説明する実施形態は本発明の実施例であり、本発明は、以下の実施形態に制限されるものではない。なお、本明細書及び図面において符号が同じ構成要素は、相互に同一の構成要素を示す。
（第４実施形態）
　図９は、本実施形態のモード間損失差補償器２００の概略図である。モード間損失差補償器２００は、光ファイバ（第１マルチモード光ファイバ）５５Ａと光ファイバ（第３マルチモード光ファイバ）５５Ｂとの間に中心軸を揃えて光ファイバ（第２マルチモード光ファイバ）５０が挿入されている。
　図１０は、本実施形態の光ファイバ５０の遷移元素プロファイルを説明する図である。光ファイバ５０は、クラッド５１とコア５２とから構成され、伝搬する光の波長において伝搬モード数が複数である光ファイバである。コア領域（コア）５２は、一部に遷移元素が添加された領域５３を有し、各伝搬モードにおける任意の損失を発生させることが可能である。そして、領域５３がリング状である。
　コア領域５２の半径がａ５であり、比屈折率差ΔがΔ５である。ここではステップ形状とした例を示すが、効果については他の屈折率形状についても同様に考えることができる。併せて図１０にコア領域５２の一部に遷移元素を添加する領域５３について図示する。領域５３はコア領域５２のうち、半径ａ６～ａ７（０≦ａ６≦ａ７≦ａ５）の範囲とする。
　領域５３に添加される遷移元素はコバルト、鉄、ニッケル、鉛などの金属元素である。必要に応じて遷移元素の添加濃度を変えることにより、光ファイバ５０を伝搬する伝搬モードの単位長さ辺りの伝搬損失を調整することができる。
　続いて、このようにコア領域５２の一部にのみ金属を添加することによって光ファイバを伝搬する特定のモードに大きな伝搬損失を発生させることが可能となることを説明する。ここでは領域５３と各伝搬モードの伝搬損失の関係について計算を行う。伝搬損失の計算にはビーム伝搬法（ＢＰＭ）を用いており、領域５３には伝搬中に吸収を受けて減衰されるよう吸収係数κを設定した。本例においては伝搬するモードはＬＰ０１、ＬＰ１１、ＬＰ２１、ＬＰ０２モードとする。これ以上のモードが伝搬する光ファイバにおいても同様に計算することが可能である。
　図１１、図１２、図１３、図１４は、（ａ７－ａ６）／ａ５がそれぞれ０．５／９．０、１／９、２／９、３／９である時の各伝搬モードにおける損失とａ６／ａ５の関係を示す図である。ここでａ５＝９μｍおよびκ＝０．５×１０－５、伝搬長を１０ｍｍとしている。光ファイバ５０による伝搬損失はκおよび伝搬長により決められておりモード間の特性差はκの値には大きく依存しないと考えられる。本計算では、吸収量のみ定義しており、特定の金属における計算においては、金属添加ファイバに添加される金属の種類、添加濃度および添加領域から同様に算出することができる。
　ａ６／ａ５の値によりモード毎に光ファイバ５０により発生する損失の値が異なることが確認できる。例えば、（ａ７－ａ６）／ａ５が０．５／９．０においてａ６／ａ５を０．３８から０．４８程度の領域では基本モードからモード次数が上がるにつれて小さな損失を与える設計が可能となる。
　一般的にマルチモード光ファイバにおいては、高次モードに比べ基本モードは閉じ込めが強くなり曲げ損失を含む伝搬損失が小さくなる傾向がある。そこでモード多重の光伝送システムにおいてＭＤＬを小さくするためには、光ファイバ５０にて基本モードに対して高次モードより大きな過剰損失を与えるようにしておくことが好ましい。そのような光ファイバ５０の領域５３の範囲について図１１から図１４の結果から確認を行う。
　図１５は、ＬＰ０１モードにおける損失がＬＰ１１、ＬＰ２１、ＬＰ０２モードに比べ大きくなる領域に関して横軸に（ａ７－ａ６）／ａ５を、縦軸にａ６／ａ５をプロットした結果である。リング幅（ａ７－ａ６）／ａ５の値によって基本モードにおける損失が高次モードにおける損失より大きくなるａ６／ａ５の範囲が定まることが確認できる。具体的には、
２．５－５．０×（ａ７－ａ６）／ａ５≦ａ６／ａ５
≦４．５－３．９×（ａ７－ａ６）／ａ５
を満たす領域５３に金属の添加を行うことで基本モードにおける損失が高次モードにおける損失より大きくなる。
　本実施形態では遷移元素を添加する領域５３をリング形状にした際の例について示したが、添加濃度を階段型に変化させるなど添加分布の工夫によって任意の損失を与えることも可能である。
（第５実施形態）
　図１６は、本実施形態の光増幅器３０１を説明する図である。光増幅器３０１は、複数の伝搬モードで伝搬する光信号を増幅する光増幅部１０２と、前記光信号の伝搬方向において光増幅部１０２の後段に配置された光ファイバ５０と、を備える。
　本実施形態では、第４実施形態で説明した光ファイバ５０を、Ｎモード伝搬可能であり、モード毎に利得差を有している光増幅部１０２とともに使用する。光増幅部１０２は、増幅用ファイバ２１、励起用光源２２、及び信号光励起光合波器２３を有する。一般的に光増幅部１０２の前段に光ファイバ５０を設置すると雑音指数が低下するので、光増幅部１０２の後段又は複数の光増幅部１０２間に設置することが好ましい。
　光増幅部１０２において大きな利得を与えているモードに大きな損失を与えるように光ファイバ５０の領域５３を設計することで光増幅器３０１のモード間利得差を低減することができる。
　次に、増幅用ファイバ２１と光ファイバ５０を縦続する際に光ファイバ５０で発生する損失量の設計方法について述べる。ここでは、光伝送路を伝搬してきたＬＰ０１、ＬＰ１１、ＬＰ２１、ＬＰ０２モードを増幅可能な光増幅器を例に述べる。
　増幅用ファイバ２１はエルビウムを添加したエルビウム添加ファイバ（ＥＤＦ）とする。ＥＤＦの屈折率分布はコア半径７μｍ、比屈折率差０．７％のステップ型とし、添加するエルビウムの添加量は均一に３００ｐｐｍ、条長を１０ｍとする。
　信号光の波長を１５５０ｎｍ、励起光の波長を９８０ｎｍ、励起光のモードをＬＰ１１モードとして利得計算を行うと、各伝搬モードの利得は、ＬＰ０１が２０．０ｄＢ、ＬＰ１１が２０．０ｄＢ、ＬＰ２１が１６．９ｄＢ、ＬＰ０２が１０．６ｄＢとなる。
　光ファイバ５０は（ａ７－ａ６）／ａ５＝１μｍであり、条長が３０ｍｍである時、図１１から図１４に示したように光ファイバ５０で発生する各モードにおける損失は、ａ６／ａ５の値により周期的に異なる値を有する。光増幅器３０１の利得は光増幅部１０２で発生する利得と光ファイバ５０で発生する損失のａ６／ａ５依存性から求めることができる。
　図１７は、光増幅器３０１の利得と光ファイバ５０のａ６／ａ５との関係を説明する図である。光増幅器３０１全体の各伝搬モードの利得の絶対値は、励起強度やＥＤＦの条長を調整することにより所望の値に設定することが可能となる。そして、図１７よりａ６／ａ５が０．４４程度のときＤＭＧが最も小さくなることが確認できる。
　図１８は、光増幅器３０１に適用する光ファイバ５０の設計方法を説明する図である。図１８の設計方法は、光信号の伝搬モード数が複数である光増幅器３０１でモード間損失差を低減する方法であって、光増幅部１０２で発生する各伝搬モードの利得を測定する測定手順Ｓ０１と、光ファイバ５０におけるコア領域５２の一部に遷移元素が添加された領域５３の構造と各伝搬モードにおける損失量との依存性を算出する算出手順Ｓ０２と、測定手順Ｓ０１で測定した利得と算出手順Ｓ０２で算出した損失を伝搬モード毎に加算し、ＤＭＧが最小となる領域５３の構造を決定する決定手順Ｓ０３と、を行う。
　なお、光伝送システムの伝送路中に光ファイバ５０を配置する場合も同様に設計できる。
（効果）
　本発明によれば、空間光学素子を用いないため、構成の簡易化が期待でき、また接続は従来の融着接続もしくは突合せ接続でよいため簡易にモード間損失差を補償することが可能になる。このようにモード多重伝送においてモード間損失差の低減を実現することで伝送距離の長延化に寄与する。
［付記］
以下は、モード多重伝送を行う光伝送システムにおいてＭＤＬを低減する方法を説明したものである。
（１）：光信号の伝搬モード数が複数である光伝送システムでモード間損失差を低減するモード間損失差補償方法であって、
各伝搬モードにおける損失量を測定する測定手順と、
コアの一部に遷移元素が添加された領域を有する光ファイバについて各伝搬モードにおける損失量と前記領域の構造との関係を算出する算出手順と、
前記測定手順で測定した損失と前記算出手順で算出した損失を伝搬モード毎に加算し、
ＭＤＬが最小となる前記領域の構造を決定する決定手順と、を行うことを特徴とするモード間損失差補償方法。
（２）：前記光ファイバの前記領域の構造がリング状であることを特徴とする上記（１）に記載のモード間損失差補償方法。
（３）：前記決定手順で決定する前記領域の構造が、前記コアの径をａ５、前記領域の内環径をａ６、前記領域の外環径をａ７とした時、２．５－５．０×（ａ７－ａ６）／ａ５≦ａ６／ａ５
≦４．５－３．９×（ａ７－ａ６）／ａ５を満たすことを特徴とする上記（２）に記載のモード間損失差補償方法。

　以上、本発明の好ましい実施形態を説明したが、本発明はこれら実施形態及びその変形例に限定されることはない。本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、構成の付加、省略、置換、およびその他の変更が可能である。
　また、本発明は前述した説明によって限定されることはなく、添付の請求の範囲によってのみ限定される。
本発明は、構成が簡易であり、精密なアライメント作業が不要で、モード毎に任意の損失を与えるモード間損失差補償器及び光増幅器を提供することができる。
ａ５：コア径
ａ６：内環径
ａ７：外環径
１１Ａ，５５Ａ：光ファイバ（第１マルチモード光ファイバ）
１１Ｂ，５５Ｂ：光ファイバ（第３マルチモード光ファイバ）
１２，５０：光ファイバ（第２マルチモード光ファイバ）
２１：増幅用ファイバ
２２：励起光源
２３：信号光励起光合波器
１０１，２００：モード間損失差補償器
１０２：光増幅部
３０１：光増幅器

Claims (10)

  1. 　伝搬する光信号の波長において複数の伝搬モードが伝搬する第１のマルチモード光ファイバ及び第３のマルチモード光ファイバと、
    　コア及びクラッドを有し、前記第１のマルチモード光ファイバと前記第３のマルチモード光ファイバとの間に中心軸を揃えて配置された第２のマルチモード光ファイバとを備え、
    　前記複数の伝搬モードにおける各損失が、前記第１のマルチモード光ファイバと前記第３のマルチモード光ファイバとの間で互いに異なる
    ことを特徴とするモード間損失差補償器。
  2. 　前記第１のマルチモード光ファイバ及び前記第３のマルチモード光ファイバの屈折率分布と前記第２のマルチモード光ファイバの屈折率分布とが異なる
    ことを特徴とする請求項１に記載のモード間損失差補償器。
  3. 　前記第１のマルチモード光ファイバ及び前記第３のマルチモード光ファイバを伝搬する前記複数の伝搬モードの数が５以下であることを特徴とする請求項２に記載のモード間損失差補償器。
  4. 　前記第２のマルチモード光ファイバを伝搬する伝搬モード数が５以上であり、
    　前記第２のマルチモード光ファイバの屈折率分布がステップ型である
    ことを特徴とする請求項３に記載のモード間損失差補償器。
  5. 　前記第２のマルチモード光ファイバを伝搬する伝搬モード数が５以上であり、
    　前記第２のマルチモード光ファイバの前記コアは、リング状の屈折率分布を有するリング状コア部を備える
    ことを特徴とする請求項３に記載のモード間損失差補償器。
  6. 　前記第２のマルチモード光ファイバは、前記リング状コア部の内環径と外環径の比が０．１以上であることを特徴とする請求項５に記載のモード間損失差補償器。
  7. 　前記第２のマルチモード光ファイバの前記コアは、遷移元素が添加された領域を有することを特徴とする請求項１に記載のモード間損失差補償器。
  8. 　前記領域がリング状であることを特徴とする請求項７に記載のモード間損失差補償器。
  9. 　前記第２のマルチモード光ファイバの前記コアの径をａ５、前記領域の内環径をａ６、前記領域の外環径をａ７としたとき、
    ２．５－５．０×（ａ７－ａ６）／ａ５≦ａ６／ａ５
    　　　　　　　　　　　　　　　　　　≦４．５－３．９×（ａ７－ａ６）／ａ５
    を満たすことを特徴とする請求項８に記載のモード間損失差補償器。
  10. 　複数の伝搬モードで伝搬する光信号を増幅する光増幅部と、
    　前記光信号の伝搬方向において前記光増幅部の後段に配置された請求項１から９のいずれかに記載のモード間損失差補償器と、
    を備える光増幅器。
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